2.2 Pemodelan Simulasi Analisis Struktur Bangunan Gedung
2.2.1 Sistem Struktur Bangunan Gedung
Sistem struktur utama gedung tinggi terdiri dari sistem penahan beban gravitasi dan sistem penahan beban lateral. Dalam praktik desain nyata, gaya lateral utama yang perlu diperhatikan adalah angin dan gempa bumi. Karena memiliki periode yang lebih lama dari yang rendah gedung bertingkat, beban gempa lebih ringan. Oleh karena itu, dalam banyak kasus, angin adalah beban pengatur dalam desain
a. Sistem Penahan Beban Gravitasi
Komponen utama yang terkait dengan sistem penahan beban vertikal pada bangunan bertingkat tinggi adalah sistem lantai, balok, kolom, dan dinding geser. Dinding geser terutama biasa digunakan untuk menahan gaya lateral tetapi juga digunakan untuk menahan beban vertikal.
Sistem lantai merupakan bagian dari sistem penahan beban gravitasi yang relatif tetap serupa di gedung-gedung bertingkat dan rendah. Namun, untuk gedung-gedung tinggi, sangat penting untuk meminimalkan berat seluruh struktur. Oleh karena itu, sistem lantai ringan, seperti flat slab, pelat precast, dan prestress menjadi pilihan dalam desain.
Sistem lantai juga berperan penting dalam mendistribusikan beban akibat gaya lateral.
Karenanya kekakuan dalam bidang yang besar, beban lateral ditransfer melalui pelat lantai melalui sistem diafragma kaku atau fleksibel ke sistem penahan lateral, seperti dinding geser dan penyangga lannya. Oleh karena itu, desain lantai sebagai diafragma yang memadai merupakan masalah penting dalam desain gedung tinggi. Beberapa
BOOK CHAPTER
Jurusan Teknik Sipil Fakutas Teknik Universitas Tarumanagara
13 pelat lantai dengan bukaan besar memerlukan perhatian khusus karena dapat melemahkan aksi diafragma di pelat lantai, sehingga distribusi gaya lateral tidak sepenuhnya sempurna ke dinding penahan geser.
b. Sistem Struktur Penahan Beban Lateral
Ada berbagai sistem penahan lateral yang saat ini digunakan dalam praktik konstruksi desain gedung tinggi. Mengurangi penyimpangan lateral merupakan pertimbangan desain penting untuk gedung tinggi. Penyimpangan lateral yang berlebihan, terutama simpangan antar lantai, dapat merusak sistem sekunder seperti partisi atau dinding tirai. Penghuni gedung juga akan mengalami ketidaknyamanan di bawah penyimpangan siklus yang berkepanjangan [6] dan kekuatan angin dinamis merupakan penyebab alasan utama untuk ini. Beberapa program komersial seperti ETABS, SAP2000, Midas GEN, Autodesk ROBOT dan Staad.Pro semuanya memiliki kemampuan untuk memeriksa drift (simpangan) keseluruhan atau pergeseran antar lantai.
Ada beberapa tipe struktur penahan beban lateral yang sudah digunakan saat ini sebagai berikut:
- Moment resisting frames (MRF)
Sistem rangka penahan momen (MRF) adalah sistem yang memanfaatkan kekakuan struktur untuk memberikan tahanan lateral. Koneksi balok dan kolom dihubungkan secara kaku, sehingga disebut juga rangka kaku. Desain kolom dan balok harus dirancang agar kuat saat ditekuk. Hubugan detail sambungan balok ke kolom juga perlu didesain secara khusus untuk mengakomodasi momen lentur disebabkan oleh beban lateral. Material Baja dan beton merupakan paling umum digunakan untuk MRF, kerena keduanya dapat memberikan fleksibilitas dalam perencanaan.
Gambar 2.1 Sistem Rangka Penahan Momen [5]
Salah satu kerugian dari sistem MRF adalah bahwa kerangka yang kaku membutuhkan biaya yang mahal pada jenis koneksi momen, akibatnya akan menghasilkan bangunan yang mahal secara keseluruhan. Selain itu, itu adalah sulit untuk mengontrol penyimpangan lateral karena efek P-Delta. Peningkatan goyangan bangunan menyebabkan tambahan defleksi pada balok dan kolom. Oleh
BOOK CHAPTER
Jurusan Teknik Sipil Fakutas Teknik Universitas Tarumanagara
14 karena itu, tinggi desain yang efisien tanpa sistem penahan beban lateral tambahan yang diperlukan adalah 30 lantai untuk struktur baja dan 20 lantai untuk struktur beton [7].
Di tempat-tempat di mana aktivitas seismik lebih tinggi atau ada risiko gempa bumi yang lebih besar, MRF harus didesain untuk memastikan bahwa daktilitas balok ke sambungan kolom memiliki ketahanan yang cukup terhadap gerakan berlebihan dan goyangan struktur. Persyaratan sifat daktilitas dan pengontrolan terjadinya sendi plastis yang baik dalam desain sekarang dilihat sebagai kunci sukses dalam menahan gerakan berlebihan dari suatu struktur.
- Kombinasi Shear Walls dan Moment Resisting Frames
Struktur dinding geser banyak digunakan untuk gedung tinggi dan gedung bertingkat rendah sebagai bagian struktural penting dalam sistem penahan lateral.
Dinding geser bekerja sebagai balok kantilever vertikal dalam yang ditopang di fondasi pada tanah. Dinding geser juga memikul beban vertikal bersama dengan kolom-kolom lainnya pada struktur tersebut. Pada bangunan tinggi, dinding geser umumnya terletak di tengah bangunan, biasanya berupa sistem dinding inti, karena sistem translasi vertikal seperti lift biasanya terletak di tengah bangunan.
Gambar 2.2 Sistem Kombinasi Shear Wall dan Moment Resisting Frames [8]
MRF juga cukup umum untuk dihubungkan dengan dinding geser beton bertulang atau rangka baja, sehingga menghasilkan sistem interaksi rangka geser yang memberikan kekakuan lateral yang luar biasa untuk struktur tinggi, karena setiap sistem mengontrol stabilitas lateral bangunan di lokasi yang berbeda, yang menyediakan sistem penahan lateral yang lebih efisien. Jenis sistem ini memiliki potensi maksimum untuk mencapai ketinggian 65 lantai.[5]
- Sistem Rangka Bracing (Bracing Systems)
Bracing adalah salah satu sistem penahan lateral yang paling penting, dan banyak digunakan di berbagai jenis bangunan bertingkat rendah serta bangunan tinggi.
Untuk tujuan estetika, rangka bracing biasanya ditempatkan di antara rongga dinding dan pertemuan dengan elemen balok dan kolom pada satu garis kerja yang sama. Model penempatan seperti ini dapat dikategorikan menjadi bracing konsentris. Perbedaan dengan bracing eksentrik adalah penempatan ujung-ujung
BOOK CHAPTER
Jurusan Teknik Sipil Fakutas Teknik Universitas Tarumanagara
15 bracing tidak bertemu pada satu titik kerja. Penggunaan bracing ini banyak dipakai pada struktur bangunan di zona gempa karena memberikan daktilitas tinggi pada struktur.
Gambar 2.3 Tipe Bracing Konsentrik [5]
Gambar 2.4 Tipe Bracing Eksentrik [5]
- Outrigger Structures
Inti biasanya terletak di tengah dalam sebuah bangunan, sedangkan outrigger merupakan komponen struktur yang berbentuk lengan umumnya merupakan struktur rangka memanjang ke kolom bagian luar bangunan. Outrigger ini menopang pada dinding inti bangunan dan kolom bagian sisi luar yang memberikan kombinasi gaya tarik dan tekan pada dinding tengah dan kolom luar.
Momen lentur, gaya aksial tarik dan tekan pada kolom bagian luar yang terhubung dengan outrigger membantu menahan momen bagian luar dari struktur bangunan.
Ketika pembebanan lateral, seperti angina atau gempa bekerja pada struktur, rotasi inti juga dapat dikontrol karena adanya tahanan dari outrigger. Tahanan ini membantu mengurangi defleksi dan momen lateral yang terjadi, yang jika tidak akan menyebabkan ketidakstabilan struktural dari banyak komponen struktur.
BOOK CHAPTER
Jurusan Teknik Sipil Fakutas Teknik Universitas Tarumanagara
16 Gambar 2.5 Tipe Struktur Outrigger [5]
- Tube Structures
Struktur tabung adalah salah satu sistem struktur penahan lateral utama di gedung-gedung tinggi yang dirancang untuk bertindak seperti silinder berongga kantilever tegak lurus ke tanah untuk menahan beban lateral angin, gempa dan sebagainya.
Sistem ini diperkenalkan oleh Fazlur Rahman Khan dan beberapa bangunan terkenal yang mendukung sistem desain ini, adalah Menara Willis, World Trade Center (runtuh) dan John Hancock Centre.
Untuk sistem jenis ini, rangka luar dirancang cukup kuat dengan menggnakan sambungan kaku balok ke kolom untuk menahan semua beban lateral [9]. Keliling luar terdiri dari kolom-kolom yang berjarak rapat yang diikat bersama dengan balok spandrel satu sama lainnya dengan sambungan momen. Jarak antara bagian luar dan rangka inti menggunakan balok atau rangka batang. Dengan meningkatkan efektivitas keliling tabung dengan mentransfer sebagian beban gravitasi di dalam struktur ke dalamnya dan meningkatkan kemampuannya untuk menahan guling akibat beban lateral.
Struktur tubular dikategorikan ke dalam beberapa jenis yang berbeda sebagai berikut ini:
Frame Tubes
Merupakan sistem tabung yang paling banyak digunakan. Ini adalah sistem tiga dimensi yang terdiri dari kolom-kolom yang berjarak dekat dan balok-balok spandrel dalam yang disatukan dengan kuat untuk membuat silinder berongga.
Braced Tubes
Struktur ini terdiri dari kolom dengan jarak yang lebar yang dikakukan dengan penggunaan bresing diagonal. Umumnya tabung bresing hanya digunakan untuk struktur dengan kurang dari 60 lantai, karena ketika ketinggian meningkat lebih banyak defleksi lateral akan mirip dengan struktur MRF.
BOOK CHAPTER
Jurusan Teknik Sipil Fakutas Teknik Universitas Tarumanagara
17 Tube in Tube
Sistem struktur ini merupakan kombinasi dari tabung frame luar dan inti bagian dalam bisa berupa dinding inti beton atau tabung baja dengan bcaring sehingga disebut struktur tabung-dalam-tabung. Inti bagian dalam dan tabung luar dihubungkan melalui diafragma lantai. Kedua tabung ini akan bekerja sama dalam menahan beban lateral.
Bundled Tube
Sistem Bundled Tube atau tabung gabungan merupakan pengembangan lebih lanjut dari sistem tabung yang hanya menggunakan satu tabung. Beberapa struktur tabung digabungkan menjadi satu kesatuan sehingga membentuk multisel yang lebih besar untuk menahan gaya lateral.
Gambar 2.6 Sistem Struktur Bangunan Rendah Sampai Tinggi [9]
BOOK CHAPTER
Jurusan Teknik Sipil Fakutas Teknik Universitas Tarumanagara
18 Gambar 2. 7 Tipe Interior Struktur Bangunan Tinggi [9]
Gambar 2.8 Tipe Eksterior Struktur Bangunan Tinggi [9]